[发明专利]壳聚糖复合磁改性生物炭材料的制备方法及应用方法

说明书

本发明公开一种壳聚糖复合磁改性生物炭材料的制备方法及应用方法。包括以下步骤：制备生物炭粉末；制备Fe₃O₄胶状混合物将生物炭粉加入到上述胶状混合物中，加热搅拌后，真空抽滤分离、60℃下烘干，得到磁改性生物炭材料；取壳聚糖粉末溶于醋酸溶液中形成混合液；将上述磁改性生物炭材料加入到混合液中搅拌，冷却后得到混合悬液；将上述混合悬液加入到NaOH溶液中，并继续搅拌混合，真空抽滤分离和去离子水充分洗涤后，烘干得到壳聚糖复合磁改性生物炭材料。本发明获得的壳聚糖复合磁改性生物炭材料，具有比表面积大、表面吸附位点多且易与金属离子结合的特点、吸附效率高、环境友好，且其具有磁性，可一定程度实现重金属从污染土壤中分离。

技术领域

本发明属于环境功能材料和污染土壤治理技术领域，具体地说是一种壳聚糖复合磁改性生物炭的制备方法及应用。

背景技术

近年来，随着我国产业结构的调整及城市化进程的加快，大批污染企业先后搬迁或关闭，废弃遗留场地数量急剧增加且污染情况复杂，成为土地资源安全再利用的限制因素。2014年《全国土壤状况调查公报》数据显示，全国土壤污染总超标率已达到16.1％，重污染企业用地和工业废弃场地土壤污染点位超标率分别达到36.3％和34.9％，且以无机重金属镉、铅、砷污染为主。重金属污染土壤不仅会影响农作物正常生长和农产品质量安全，且会通过农作物吸收富集于作物体内，最终通过食物链会危害到人体健康，如进入人体的镉，在体内形成镉硫蛋白，通过血液到达全身，并有选择性地蓄积于肾、肝中，进而造成骨骼疏松、萎缩、变形等，甚至更为严重的身体病害。

目前，针对重金属污染土壤的修复技术手段不断丰富，如固化稳定化、淋洗、化学氧化还原、生物修复等，逐渐取得广泛应用。尽管修复方法众多，但单一技术的应用通常存在修复周期长，二次风险严重，并不适用于污染场地和大面积耕地土壤修复等问题。同时，随着研究的深入，关于新型环境功能材料在污染水体环境、土壤环境治理中的应用得到广泛开展，如生物炭材料因具有孔隙度高、吸附能力强、环境稳定性高等特性，使得生物炭在吸附废水、土壤中的重金属等污染物方面具有巨大的潜力。但由于原材料类型、制备条件等因素，生物质直接裂解制备的生物炭材料在重金属吸附能力方面相对较低，而生物质炭材料的表面氧化和功能化等修饰/活化手段的使用能够有效地增加生物质炭表面的吸附点位，尤其是一些与重金属离子吸附密切相关的表面官能团，从而使其在环境修复领域中表现优异。Uchimiya等通过氧化法对棉籽壳生物炭表面进行羧基改性，对比试验研究改性后生物炭对土壤中Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺重金属的固定效果得到显著提升。此外，有机酸、氧化物、纳米材料等改性的生物炭材料也逐渐应用于含重金属的废渣废液、土壤及地下水环境修复。改性生物炭不仅具有稳定的吸附性能，还有良好的热稳定性，多次循环使用后，仍然具有较高的吸附能力。

壳聚糖是一种由几丁质脱乙酰化得到的天然高分子化合物，含有丰富的羟基、羧基和氨基等活性官能团，具有良好的可降解性和环境相容性，壳聚糖分子链中可以和多种重金属离子发生配位反应形成配位化合物，将其复合到生物炭表面，可以显著增强核桃壳生物炭等环境材料的吸附能力(CN 105236507)。由于壳聚糖具有获取方便、成本低廉、无毒、不产生二次污染等优点，被广泛应用于处理重金属废水和污染土壤；但由于壳聚糖在酸性环境下易流失且回收困难，化学稳定性及机械强度较低，在一定程度上限制了其在环境污染治理领域的应用。此外，由于磁性材料特性，经过磁改性的生物炭材料，在其还原吸附重金属后，能够通过磁分离技术，将重金属从污染介质中分离，如CN107199013、CN105906133等专利文献已将其应用于重金属污染水体的净化处理。因此，通过将壳聚糖与磁性改性手段相结合，对生物炭材料进行复合改性修饰，不仅可以增加其对重金属的吸附位点，还可能一定程度实现重金属污染物从土壤环境中的彻底移除及改性生物炭材料的循环利用。在现有报道中，这种以生物质炭为基底、壳聚糖和磁性复合改性的重金属污染土壤吸附剂还未有充分报道。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种壳聚糖复合改性生物炭的制备方法及应用方法。